氢氦同位素核散射截面的测量方法与流程

本发明属于氢氦同位素测量技术领域，具体涉及一种氢氦同位素核散射截面的测量方法。

背景技术：

精确的测量材料中的氢氦同位素含量和深度分布在核能、储氢储氚材料、太阳能电池以及氢燃料电池等许多领域都有着极为重要的意义。在现有的几种测量氢氦同位素的方法中，离子束分析方法（主要包括弹性反冲分析，质子背散射分析）由于其准确、高效同时对材料的宏观机构无损的特点成为最优的测量方法之一。

为了通过离子束分析的方法测量材料中的氢氦同位素含量和深度分布，首先要知道离子束所对应核素与氢氦的平均微分散射截面，这是测量能够准确进行的先决条件。

微分散射截面是一个靶原子将一个入射粒子散射到散射角θ方向的单位立体角中的几率。当入射粒子与靶核之间的作用只有库伦作用，此时的微分散射截面满足卢瑟福散射截面公式，此时的截面可由公式计算得到；但当入射粒子的能量比较低或比较高时，此时两者之间的作用将不仅是库伦作用，核外电子的屏蔽作用或核力作用将有很大影响，此时的微分散射截面将大大偏离卢瑟福散射截面，这一现象对于靶核为轻元素如氢氦同位素等尤为显著。此时需通过实验测定具体入射粒子对特定靶核在一定能量范围内的微分散射截面。

测量非卢瑟福微分散射截面通常采用以下公式：

(1.1)

其中，A为探测器探测到的散射粒子数，Q为入射粒子数，N为单位面积样品中的靶原子数，是能量对应的平均微分散射截面，Ω则是探测器所张立体角，是探测器的探测效率。

由公式（1.1）可知，对于已知轻元素含量的薄膜靶而言，通过测量背散射能谱中某元素峰面积计数A，入射粒子数Q，结合探测器对靶的立体角Ω，探测器的探测效率以及靶原子面密度N，即可求得对应的微分散射截面。但是在实际的测量过程中，对这其中每个参数的确定都会产生比较大的误差，其中峰面积计数A的确定通常存在着3%左右的统计误差；而入射粒子数Q的确定一般方法采用法拉第筒等方法，这类方法则存在着5%左右的误差；探测器立体角Ω的确定也存在着2%-5%的误差；确定探测器的探测效率带来的误差通常小于1%，甚至可忽略不计。一些截面测量过程中采用的相对方法，可消除Ω和Q引起的误差。

然而，对于氢或氦同位素在靶中的原子密度N的精确确定是一难题，通常会带来较大误差。 目前原子密度N的确定一般有以下几种方法：(1)采用固定剂量的H或He粒子注入样品，这时注入的剂量不会到达很高，因此计数率比较低，电子学噪声以及本底辐射的影响较大，由此造成的N误差在5%左右；(2)采用有固定比例氢同位素比例的有机材料，但在测量过程中因高能粒子的轰击会使化学键断裂，成分比例被破坏造成误差，此时的误差可以达到5%~8%。(3)有的采用对样品中的一部分做热释放实验确定其中的氢氦同位素含量，这种方法对环境真空及仪器定量都有较高的要求，而且在定量过程中误差较大，有时甚至超过6%；(4)还有通过核反应分析的方法来确定面密度，这种方法本身就存在着统计误差以及核反应截面误差等，通常总的误差也在5%左右。综上，若所有参量都用实验方法确定，保守估计，则截面测量结果的总误差也会超过8%。

此外，为了能够精确测量入射粒子束中原子核与氢氦的核散射截面，对截面测量所用的靶材料也有着严格的要求：（1）靶中必须要有尽可能高的氢或氦含量，这是为了提高探测效率同时减小电子学噪声、宇宙本底辐射等对测量精度的影响；（2）靶中的氢或氦的含量要尽可能稳定，不能随着测量时间的增加有较大变化；（3）在保证靶材料有一定的氢或氦含量时，靶材相对于入射粒子要尽可能薄，以减小粒子在靶中能量损失引起的测量误差。

氢氦同位素核截面测量过程中的种种难题和挑战给截面的精确测量带来了很大的困扰，使得同一截面不同的测量方法带来的测量误差极大，有的测量结果之间甚至超过了100%的差别，这给离子束分析进一步应用于氢氦同位素的含量与深度分布测量造成严重的阻碍。

技术实现要素：

基于以上在氢氦同位素等轻元素核散射截面测量中存在的问题，本发明提供一种可以有效减小测量过程中的误差，大大提高测量精度的测量氢氦同位素核散射截面的方法。

本发明提供的测量氢氦同位素核散射截面的方法，具体步骤为：

步骤一、氢氦同位素核截面测量用靶的制备，具体的说是采用磁控溅射沉积（同时包括射频磁控溅射以及直流磁控溅射）的方法制一种新型的薄膜复合靶，复合靶的组成主要包含三部分：薄膜衬底、富含被测量元素的薄膜层和覆盖于富含被测量元素的薄膜之上的覆盖层。

所述薄膜衬底，对于质子散射截面的测量，采用的是厚度在1μm~5μm之间的透射薄金属衬底，而对于弹性反冲散射截面测量可采用较厚（厚度可在0.5mm以上）的光滑平面衬底，如单晶硅衬底，单晶氧化铝衬底等。

所述富含被测量元素的薄膜层，如金属氢化物、氘化物、含氦薄膜等，厚度范围15nm~35nm。

1.利用超高真空获得装置（分子泵系统等），通过抽真空以及高温烘烤，获得好于1.0×10-4Pa的薄膜制备真空条件；

2.在薄膜层制备过程中，首先根据制备样品的要求，调节通入真空腔室内的溅射工作气体Ar与目标沉积元素H、D、He等之间的流量比。

如果沉积H元素，则Ar与H2的流量比在1:8~15之间，即Ar流量为2.0sccm时，对应的H2流量根据氢化物对应元素的不同，在16.0sccm到30.0sccm范围内调整；如果沉积元素为D，则Ar与D2的流量比在1:5~20之间，即Ar流量为2.0sccm时，对应的D2流量根据氘化物对应元素的不同，在10.0sccm到40.0sccm范围内调整；当需要在薄膜中沉积He元素时，对应的Ar与He的流量比在1:10~25之间，即若Ar流量为2.0sccm时，对应的He流量根据沉积He元素含量要求的不同，在20.0sccm到50.0sccm范围内调整。

然后调节磁控溅射的工作压强（通常在0.1Pa~10Pa之间调整），工作偏压（通常在-30V~-100V范围内调整），溅射功率（通常在60W~120W范围内调整），沉积时间（根据沉积元素的不同，沉积时间在3min~30min范围内）。

所述覆盖层，沉积覆盖于富含被测量元素的薄膜之上。该覆盖层通常选用重金属元素材料如钯、钽等，厚度范围2nm~8nm，根据元素的种类以及溅射功率的差别，沉积时间在10s~100s范围内调整。这层覆盖层不仅能有效阻止被测量元素在保存和测量过程中从薄膜中脱附，而且可以在测量过程中起到对入射粒子剂量标定的作用。

步骤二、核散射截面测量，采用相对测量方法，具体的来说，首先假设一样品由待测散射截面的某元素X和另一种重的基体元素Y组成，重元素Y对轻入射离子的散射截面此时可认为为卢瑟福截面，由此Y可作为参考元素。X、Y的背散射谱的峰面积分别为：

(1.2)

(1.3)

两式等式两侧分别相除得到：

（1.4）

其中，A_X和A_Y分别是探测器探测到的对应于X元素和Y元素的粒子数，Q是入射粒子总数对应的电荷量，Ω是探测器的固体角，Y元素与入射粒子作用的散射截面，N_X为X元素单位面积样品中的靶原子数，N_Y为Y元素单位面积样品中的靶原子数。根据（1.4）式：

在测量时，首先要计算得到，可由卢瑟福散射截面公式精确计算得到；

然后根据测量过程中得到的反冲粒子能谱（ERDA）确定N_X，由选定的存在既有散射截面测量数据的且在一定能量范围内其核散射截面与卢瑟福散射截面极为接近的另一种入射粒子（通常根据不同的情况选用一定能量的C离子或O离子等）与X作用得到的弹性反冲能谱并通过计算拟合得到（例如在测量30度角度处的He轰击H在1.6MeV到6.0MeV能量范围内的弹性反冲散射截面时，为了事先确定制备样品中的H含量，我们通过查阅既有的实验数据，并与卢瑟福散射截面计算值相比较，发现当用4.5MeV的C离子轰击含H元素靶时，两者的核散射截面的实验测量值与卢瑟福散射截面十分接近，误差小于2.0%，于是，我们就通过4.5MeV的C离子来确定制备得到样品中的H含量，即确定N_X的值）；

再然后根据卢瑟福背散射分析RBS能谱中确定N_Y，由于Y元素是超重元素，因而与较轻的入射粒子相作用时其散射截面即可认为与卢瑟福散射截面相同，据此可以由其背散射能谱计算得到N_Y，通过这种方法确定的N_Y误差通常只有统计误差的影响。

确定以上各个实验参数后，即可根据截面公式精确得出在特定角度位置一定能量范围内的微分散射截面。

这种相对测量法避免了在对入射离子数Q、立体角Ω测量过程中造成的误差，使得测量精确度可以大大提高。

附图说明

图1为2.0MeV ⁴He的卢瑟福背散射能谱。

图2为2.0MeV ⁴He的弹性反冲能谱。

具体实施方式

制靶技术的具体实施方式：磁控溅射真空腔室通过分子泵与离子泵等结合的真空获取系统，结合高温烘烤的方式，得到好于5×10^-5 Pa的超高真空，然后，向腔室内通入工作气体与溅射气体，此后，在通有混合工作气体Ar和H₂或D₂或He的真空腔室内的阴极靶材和阳极基片之间加上一定的放电电压（对于直流磁控溅射，放电电压通常在280V到450V之间，对于射频磁控溅射，放电电压通常在500V到1000V之间）时，将产生气体放电。等离子体中的工作气体离子或离子团在阴极区电场的作用下轰击靶材。已知Ar的溅射产额远大于H₂，D₂，He等, 因此，金属膜的沉积速率主要受Ar离子流的控制，这一控制主要体现在溅射功率上，即通过条件溅射功率以及沉积时间可以精确的控制沉积得到的薄膜厚度。

引入薄膜中的H₂或D₂或He的含量主要通过调节混合气体中的目标气体元素与溅射媒介气体Ar的流量比，同时，这种含量还会受金属本身的性质限制。如沉积过渡金属Ti的氢化物薄膜，在其它沉积参量一定的条件下，通过调节H₂/Ar流量比从0到15，即Ar流量为2.0sccm时，对应的H₂流量从0sccm到30sccm之间调整，相应的含H量变化可从0到150at.%以上；同样原理，在沉积氘化钛薄膜时，在其它沉积参量一定的条件下，通过调节D₂/Ar流量比从0~20，即Ar流量为2.0sccm时，对应的D₂流量在0sccm到40.0sccm范围内调整，相应的含D量变化可从0到160at.%以上，对于沉积含He样品，采用ZrCo或LaNiAlMn作为储He材料，通过调节He/Ar流量比从0到25，即Ar流量为2.0sccm时，相应的He流量为0~50.0sccm，对应的含He量变化可从0到50%左右。此外，H₂或D₂或He的含量大小还与溅射电压、溅射总压强、工作偏压、溅射功率、沉积时间以及基片温度等因素有关。溅射电压控制在在附近，其中，为位移能，m、M分别为He原子和膜材料原子的质量。通过调节磁控溅射的溅射总压强（通常在0.1Pa~10Pa之间调整），工作偏压（通常在-30V~-100V范围内调整），溅射功率（通常在60W~120W范围内调整），沉积时间（根据沉积元素的不同，沉积时间在3min~15min范围内），基片温度通常与气体含量成负相关，即其他参数一定的条件下，基片温度越高，沉积的薄膜内的氢或氦同位素含量越低，因此，沉积过程中要尽量降低基片温度，以期获得更高的待测元素含量。

具体的操作流程是：预先用超声波清洗设备洗净沉积用衬底等，然后在磁控溅射真空室内放入溅射靶（如Ti等），同时放入作为保护层的溅射靶，以及薄膜的衬底。当溅射真空室内的本底压强达到<5×10^-5 Pa的真空时，通入一定流量比的目标沉积气体如H₂、D₂或He与工作气体Ar的混合气体，调节腔室内压强达到2.0Pa以上，此时在阴极加上电压使之产生稳定的辉光放电，预溅射一段时间。然后调低真空腔室内的压强至工作状态（通常在0.1Pa~10Pa之间调整）然后在打开挡板，在基片上沉积薄膜。薄膜的厚度可由溅射功率、时间控制精确控制。例如，使用Ti金属靶，在Si基片上， H₂/Ar气体流量比为20，溅射功率为100W，时间为5min时，可得到薄膜厚度约为30nm，含H量为120 at.%的TiHx薄膜样品。同样，调整溅射功率和时间可以在TiHx薄膜之上得到更薄的（＜3nm）的保护膜。

相对测量方法：将制备好的薄膜复合靶放置于离子束分析真空腔室内用于截面测量，在正式测量核散射截面以前，我们需要确定单位面积样品中的靶原子数N_X，一般是采用选定的存在既有散射截面测量数据的且在一定能量范围内其核散射截面与卢瑟福散射截面极为接近的另一种入射粒子（通常根据不同的情况选用一定能量的C离子或O离子等）与X作用得到的弹性反冲能谱通过计算拟合并用软件解谱后得到；在确定单位面积样品中的靶原子数N_X后，我们开始核散射截面的测量，在测量过程中，一般是在一个角度利用金硅面类探测器测量弹性反冲能谱的同时，在另一个角度处利用金硅面类探测器同时测量卢瑟福背散射能谱，然后根据公式（1.4），利用实验测得的卢瑟福背散射能谱中Y的峰面积，弹性反冲能谱中X的峰面积，以及实验测得的N_X和N_Y值，以及计算得到的，可以得到每个对应能量下的散射截面。

例如：在测量30度处,入射⁴He离子束在能量范围为1.6MeV到6.0MeV与¹H作用的弹性反冲散射截面时，我们使用的是Ta/TiHx/Si靶，即在Si衬底上通过磁控溅射方法镀一层30nm左右的TiHx薄膜，此后又在TiHx薄膜薄膜之上镀一层7nm左右的Ta薄膜作为保护层和参考元素层。其中，⁴He与Ta在1.6MeV到6.0MeV范围内的背散射截面满足卢瑟福散射截面公式，通过计算可以得到公式(1.4)中的。

在弹性反冲散射截面测量前，我们先用4.5MeV的C探测样品中的H含量，经过实验截面测量的结果与卢瑟福背散射截面的计算结果比对，在入射C的能量为4.5MeV时，C与H的弹性反冲截面与卢瑟福散射截面的结算结果十分接近（误差小于2.0%），因此用这一方法可以较为准确的确定样品中的H含量，实验测得的其中¹H与Ti的原子比大于1.5:1。

在弹性反冲截面测量的过程中，我们在165度方向和30度方向同时测量样品的卢瑟福背散射能谱和弹性反冲能谱，得到如图1和图2的两个能谱，从图1的RBS能谱中我们可以得到公式(1.4)中的A_Y和N_Y，同时结合图1的RBS能谱与之前的4.5MeV C弹性反冲能谱我们可以得到Nx，从图2的ERD能谱我们可以得到Ax，进而我们可以利用公式(1.4)得到不同能量对应的⁴He与¹H的弹性反冲散射截面。

有关氢氦同位素核散射截面的测量结果部分已发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B上，如NIM B 335 (2014) 85–88，NIM B 346 (2015) 17–20，NIM B 375 (2016) 13–16等，对于H-He弹性反冲截面测量总的实验误差小于5.2%。相比于采用常规方法的测量误差7.9%以上，其他的截面测量结果也大大减小了测量误差，测量精度有很大的提高。